DNA嘧啶碱基异构化的理论研究开题报告

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1. 研究目的与意义

DNA分子结构的任何异常变化均称为DNA损伤,包括双螺旋链的断裂与交联、氨基的脱落、碱基的异构化与脱落、烷基化等等。为保证机体生理活动的正常进行、生命过程的延续和遗传的稳定性,生物体内形成了一整套相当完善的修复系统,可使DNA的损伤得到最大限度的修复。本论文运用量子化学方法研究了嘧啶碱基异构化过程,从微观角度研究了异构化机理。通过对这些机理的研究对DNA损伤过程有全面,深入的认识,从而可以为抑制不良损伤和利用、开发有利损伤奠定基础并提供理论指导。这在化学以及生命科学领域均具有重大理论和实际意义。

2. 国内外研究现状分析

碱基异构化过程是在核酸基中普遍存在的现象,DNA中的四种碱基胞嘧啶、胸腺嘧啶、腺嘌呤和鸟嘌呤都可以发生异构化。这种变化可使碱基对间的氢键位置发生改变,在复制过程中造成碱基错配,如可使腺嘌呤与胞嘧啶配对、胸腺嘧啶与鸟嘌呤错配等,从而带来DNA损伤。到目前为止，对胞嘧啶互变异构体及异构现象有较多的研究报道。在实验方面，Feyer等研究了胞嘧啶和尿嘧啶分别在450K和404K下的光电子能谱现象，表明胞嘧啶在450K下存在氨-酮式氨-烯醇式与亚胺-酮式3种异构体。在理论计算方面，Carlos采用离-连续模型在MP2/6-31G(d)方法下对4种胞嘧啶的热力学稳定性进行了研究。Civcir采用半经验AM1和PM3方法对7种胞嘧啶异构体的热力学性质进行了气相和水相的研究，得出了一些重要的热力学参数。Sambrano等采用B3LYP/6-31 G**和MP2/6-31 G**方法研究了4种胞嘧啶异构体在水相中的稳定性问题。Gorb等采用从头算HF和MP2方法对胞嘧啶、异胞嘧啶可能异构体以及这些化合物与单分子水构成的复合物进行过理论计算,阐明了他们的相对稳定性,讨论了其中一些过程的势垒和速率常数,发现水分子的参与可使质子转移的势垒大幅度降低。Ha等在HF/6-31*和MP2/6-31G*水平上计算了胞嘧啶异构体各种振动模式的振动频率和腺嘌呤的结构、能量、转动常数、电偶极距和电场梯度。Chandra等采用密度泛函方法对胞嘧啶和水分子的相互作用及光谱性质进行了研究。Geza采用分子动力学模拟了水助催化下胞嘧啶异构化反应动力学机理。Donatella等采用B3LYP/6-311 G(2df，2p)方法研究了最稳定的2种异构体在气相和水相异构化的动力学反应通道。最近，Sathyabama等采用HF/6-311 G(2 d，2 p)和B3 LYP/6-311 G(2 d，2 p)方法对胞嘧啶异构体的溶剂效应进行了研究。孙巨龙，韩克利分别采用7种基组、3种理论方法对胞嘧啶异构体Cytosine的结构进行优化,通过与Cytosine的实验结果进行比较,选取了适合研究胞嘧啶分子的B3LYP/6-311 G**方法。用该方法对胞嘧啶分子的8种异构体构型进行了充分优化,研究了其中能量较低的6种胞嘧啶异构体的互变异构化过程。对于得到的所有优化构型都进行了频率分析。对于基态构型,所有的频率都是正的对于过渡态构型,只有一个虚频。同时,做了详尽的内禀反应坐标计算,以保证所得到的过渡态连接相应的始末异构体。所有给出的能量都已做了零点能校正。理论研究结果可以对己有的实验结果给予合理解释。Shan Xi Tian，Ke Zun Xu分别用DFT和Hartree-Fock从头算方法对鸟嘌呤的7种异构体进行结构的优化和能量的对比，同时采用自洽场理论地PCM(polarized continuum model)方法考虑了溶剂化效应。研究发现在气相中N(7)H[G5]异构体比N(9)H[G1]异构体稳定,壁垒大约为55kca/mol,而在液相中情况则相反。同时运用过渡态理论研究了热力学,动力学行为。李宝宗通过理论计算研究了胞嘧啶在气相中各异构体的相对稳定性顺序。碱基对的异构化过程也是目前研究的热点。结合单个碱基异构化过程,研究碱基对的异构化机理。Victor I.Danilov等运用理论计算方法对碱基对的可能存在的几种异构体进行了结构优化和电子性质的计算。详细阐明了碱基对的几种异构化过程。Gyusung Chung等对G-C碱基对异构体的研究发现酮式G-C异构体的稳定性大于烯醇式一异构体的稳定性。

尽管对胞嘧啶异构化反应的报道较多，但有些文献所涉及异构体数目不足，或由于计算方法较低，故很难全面阐述胞嘧啶异构化反应的规律。

3. 研究的基本内容与计划

利用密度泛函理论b3lyp/6-31g(d)方法优化了嘧啶异构体的构型，比较了各异构体相对稳定性，同时，研究了嘧啶质子转移的反应途径，找到了相应的过渡态，并对活化能垒进行了比较。

此外，还研究了异构化过程中的动力学和热力学性质,并获得了质子转移反应的各类参数。

这些理论计算结果对嘧啶性质的实验研究具有一定的参考价值。

4. 研究创新点

独立解决以下两个关键问题：a.确定DNA中胞嘧啶和胸腺嘧啶的计算模型并确定其合理性。b.研究胞嘧啶和胸腺嘧啶的异构化过程，并研究异构化过程中的动力学和热力学性质。